量子物理21公开课获奖课件
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1.光谱是线状，对应特定位置。 2.谱线间构成一定关系，例如谱线构成 一种谱限系，他们波长可以用一种公式表 达出来，不一样样系谱线也有关系，例如有共 同光谱项。T（n）=RH/n2 3.每一谱线波数都可以表到达二光谱项 之差。
第40页
•氢原子光谱为图6.8所示
图6.8
第41页
2.其他线系
19 赖曼发现
第45页
19，年仅28岁玻尔刚从丹麦哥本哈根大学获博士 学位，就来到卢瑟福试验室，他认定原子构造不能 由经典理论去找答案，正如他自己后来说: "我一看 到巴尔末公式，整个问题对我来说就所有清晰了。 "玻尔（N.Bohr）首先提出量子假设，拿出新模型 ，并由此建立了氢原子理论，从他理论出发，能精 确地导出巴尔末公式，从纯理论角度求出里德伯常 数 ，并与试验值吻合很好。此外，玻尔理论对类 氢离子光谱也能给出很好解释。因此，玻尔理论一 举成功，很快为人们接受。
图6.5(a)
阐明: 电子获得能量不需要时间积累
第20页
(2)当V（减速电势）和ν（光频 率）固定期, 光电流i与光强I成 正比。（图6.5b）
阐明: 单位时间内逸出 电子数目正比于光强度。
图6.5(b)
第21页
(3) 当υ固定期, i随V增长而减小。 当V=V0（遏止电压）时, i=0。且V0与I无关。
o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 λ(μm) 第13页
M Bλ
试验值
紫 外 灾
难 瑞利--金斯
维恩
o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 λ(μm) 第14页
Planck公式:
E( ,T )d
8 h 3
c3
d
h
e KT
1
（6-7）
第15页
• 显然，当hυ>>kT时，Planck公式与Wien公式相一致， 而当hυ<<kT时，Planck公式又演变为Rayleigh-Jeans 公式。(练习)
但随υ增大。 而与试验偏差加大, 当 上面υ公→式∞都时是引从起经发典散物（理紫中外得劫到难！）。 第10页
M Bλ
试验值
o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 λ(μm) 第11页
M Bλ
试验值
维恩
o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 λ(μm) 第12页
M Bλ
试验值
紫 外 灾
难 瑞利--金斯
• Planck 量子假设
• 为了从理论上导出Planck公式，Planck假设电磁辐射 能量只能是量子化，即E=nhυ（n=1，2，3……）h即 为Planck常量，h=6.626×10-34J.S
• （与6-3）式相类似，可得:
•
•由 •
即可导出Wien位E移(,定T )律d。
8hc 5
d
hc
e kT
（图6.5c）
图6.5(c)
阐明: 光电子最大能量与光强无关。
第22页
(4)对某一确定材料, V0仅依赖于υ而与I无关, 且υ 存在一种阈值υ0 （称为红限）, 仅当υ>υ0时, 才有 光电流产生。对大多数金属而言, υ0处在紫外线区, 而V0量级在n个伏特, 这意味着光电子动能在eV量 级。
图6.5(d)
第2页
玻尔（N.Bohr）基于卢瑟福原子模型, 原子光 谱试验规律以及普朗克量子化概念, 于19提出 了新原子模型并成功地建立了氢原子理论, 解 释了氢光谱产生, 玻尔理论还可以精确地推出 巴尔末公式, 并能算出里德伯常数理论值。不 过当玻尔理论应用于复杂某些原子时, 就与试 验事实产生了较大出入。这阐明玻尔理论还很 粗略, 直到1925年量子力学建立后来, 人们才建 立了较为完善原子构造理论。
第27页
爱因斯坦光子假说 一束光是一粒一粒以光速 c 运动粒子
（称为光子）流，每一光子能量为:
ε= h 他认为金属中自由电子吸收一个
光子能量 h 以后，一部分用于电子从金属
表面逸出所需逸出功A ，一部分转化为光 电子动能，即：
h
=
1 2
mv 2+ A
——爱因斯坦 光电效应方程
第28页
爱因斯坦对光电效应解释: 1. 光强大，光子数多，释放光电子也 多，因此光电流也大。
第46页
光谱
小结
一、光谱 光谱仪
光谱种类
二、氢原子光谱
• 巴尔末线系
• 其他线系 里德伯公式
~
RH
(
1 22
1
n2
), n
3,4,
~
1
RH
1 m 2
1
n2
• 光谱项 • 并合原则
T(n) RH ,
n2
~ T(m) T(n)
1.5 第47页
Ha
H6β562. Hγ Hδ
氢原子可见光谱
第38页
• 1.巴尔末线系（可见光区）
~
RH
(
1 22
1
n2
), n
3,4,
RH
4 B
.
10973731m 1 , B 3646.1A
RH 10967758m 1
~
RH 22
, (当n 时)
（精密测量值） （线系限波数）
第39页
氢原子光谱特点:
第3页
§2.1 黑体辐射与光电效应 (Black body radiation and photoelectric
effect)
黑体概念 (Black body)
在十九世纪末期, 黑体辐射是物理学家们极感爱 好一种话题。
任何物体在任何温度都会向外发射多种波长电磁 波, 但电磁波能量按波长分布却随温度而变化, 此即“热辐射”。
Chap.2
原子量子态，玻尔模型 (The quantum states of atoms,the Bohr model )
第1页
卢瑟福模型把原子当作由带正电原子核和围绕核运动某些 电子构成, 这个模型成功地解释了α粒子散射试验中粒子大 角度散射现象, 可是当我们准备进入原子内部作深入考察 时, 却发现已经建立物理规律无法解释原子稳定性, 同一性 和再生性。
RH
1 m 2
1
n2
m=1, 2, 3, 4, 5
n=m + 1, m + 2 , m + 3
4.光谱项 5.并合原则
T(n) RH , n2
~ T(m) T(n)
第43页
19, 卢瑟福用 粒子散射试验证明了核存在, 不过电子在核外运动情形怎样, 却没有一种合 理模型, 假如设想电子绕核运动, 便无法解释原 子线光谱和原子坍缩问题, 经典理论在讨论原 子构造时碰到了难以逾越障碍。
紫
赖曼
~
RH
1 (12
1 n2
), n
2,3,
外 区
系19: 帕邢发现
帕
~
RH
(
1 32
1 n2
), n
4,5,
邢系:
红 外
1922年布喇开发现 布喇开系:
~
RH
(
1 42
1 n2
),n
5,6,
区
1924年普芳德发现 普芳德系:
~
RH
1 (52
1 n2
),n
6,7,
第42页
• 3.里德伯公式
~
1
• •
mT 0.2898cm • K
(6-1)
第9页
理论公式
R( ,T ) c E( ,T )
4
这是黑体辐射本领
与能量密度关系 E( ,T )d C1 e 3 C2 T d
Wien公式
(6-5)
在低能部分与试验有明显偏差。 E( ,T )d C8R3aKyTlei2gdh-Jeans公式
(6-6) 在低能段与试验吻合,
第25页
按照经典理论, 决定电子能量是光强, 而不是光频率。
试验事实却是, 光电子能量与光强无关, 却取决于光频率。
第26页
光电效应量子解释 (Quantum interpretation of photoelectric
effect)
• 19, Einstein发展了Planck量子假设应经典解释 （Classical interpretation of
photoelectric effect）
按照经典物理, 光是电磁波, 当光照在电子上时, 电子便获得 能量。当电子能量累积到一定程 度, 就能脱离原子束缚而逸出。
第24页
估算成果表明, 以光强为 1μW/m2 光照射到钠金属表面, 要使其中电子 获得1eV能量, 约需107s, 这与光电效应 中光电流对光照迅速响应（<10-9s）完全 不相符合。
2. 电子只要吸取一种光子就可以从金属 表面逸出，因此不必时间累积。
3.光电子初动能仅与入射光频率和逸出功 有关，且与频率成线性关系。
4.从光电效应方程中，当时动能为零时， 可得到红限频率:
0=
A h
第29页
Einstein光电子假设, 遭到了包括Planck 在内 不少物理学家反对, 直到19Millikan运用V0与ν 之间关系, 从试验测得Planck常数, 其成果与 Planck黑体辐射公式中相等（误差不不小于 5%）, 这才使光子假设得到人们普遍接受。
第30页
Einstein因此而获得了19Nobel物理学奖 Millikan则获得了1927年Nobel物理学奖。
图6.6 第31页
1 2
mv 2 =
eUa
U a = k Uo
... (1)
...(2)
遏止电压与入射光
Ua
频率试验曲线
o
νo ν
由式（1），（2）得:
1 2
mv 2=
k e eU0
物体在产生热辐射同步, 也会吸取和反射外来电 磁波。
假如一种物体能完全吸取外来电磁辐射而无反射 和透射, 则被称为绝对黑体, 简称黑体。
第4页
黑体模型见图6.1
第5页
量子假说试验根据之一 黑体辐射
（ Black body radiation）
第6页
黑体辐射辐射本领
• 单色辐射本领R（λ，T）:
第34页
连续光谱
Na H
线状光谱
Hg Cu
钠吸收光谱
太阳光谱
第35页
• 光谱是用光谱仪测量，光谱仪大体由三部分构成: 光源， 分光器（棱镜，或光栅），记录仪。（参看图6.7）
12
狭缝
棱镜
棱镜光谱仪示意图
红
蓝 1 屏 2
第36页
测量光谱示意图
第37页
6562.8A 4861.3A 4340.5A 4101.7A
• 即单位时间从黑体单位面积上所辐射出去波长 在λ附近单位波长范围内能量。
• 总辐射本领R（T）
• 即单位时间从黑体单位面积上所辐射出去电磁 波总能量。
• R（T）= R(,T )d R' ( ,T )d
• 由于
•
0
0
R'( ,T )d
0
0
c
2
R'( c
,T )d
R(,T )d
0
因而
R(,T )
c
2
R'
(
,
T
)
|
c
(6-3)
第7页
第8页
黑体辐射试验规律
(The experimental results of black body radiation)
• Kirchhoff证明, 热平衡时, 辐射能量密度E（υ, T） 随υ变化曲线与空穴形状及构成物质无关。
• Wien位移定律（图6.2）
1
dE(,T ) 0
dT
第16页
第17页
量子假说试验根据之二 光电效应
（photoelectric effect)
第18页
19, Lenard在Hertz和Hallwachs试验基础上, 证明了金属在紫外光照射下会发射电子,这就是光电
e CT4
第19页
深入研究发现，光电效应具有如下几种特 点: (1)光电流产生几乎与光照同步。 （图6.5a）
结论:
e k= h 第32页
• •
第33页
光谱 (Line spectra of atom) 光谱是光频率成分和强度分布关系图，
它是研究原子构造重要途径之一。
光谱分类: 不一样样光源有不一样样光 谱，发光机制也不尽相似。根据波长变 化状况，大体可分为三类: 1.线光谱: 波长不持续变化，此种为原子 光谱；
第44页
经典原子模型困难
（1）不能解释电子轨道运动稳定性。 电子作轨道运动具有加速度, 要向外发射电磁波
电子能量逐渐减少, 最终电子将落入原子核中。 （2）不能解释为何原子光谱是线状。 电子作轨道运动, 由于发射电磁波, 能量逐渐减少
轨道半径逐渐变小, 发射电磁波波长应逐渐变化, 原 子光谱应为持续谱。
第40页
•氢原子光谱为图6.8所示
图6.8
第41页
2.其他线系
19 赖曼发现
第45页
19，年仅28岁玻尔刚从丹麦哥本哈根大学获博士 学位，就来到卢瑟福试验室，他认定原子构造不能 由经典理论去找答案，正如他自己后来说: "我一看 到巴尔末公式，整个问题对我来说就所有清晰了。 "玻尔（N.Bohr）首先提出量子假设，拿出新模型 ，并由此建立了氢原子理论，从他理论出发，能精 确地导出巴尔末公式，从纯理论角度求出里德伯常 数 ，并与试验值吻合很好。此外，玻尔理论对类 氢离子光谱也能给出很好解释。因此，玻尔理论一 举成功，很快为人们接受。
图6.5(a)
阐明: 电子获得能量不需要时间积累
第20页
(2)当V（减速电势）和ν（光频 率）固定期, 光电流i与光强I成 正比。（图6.5b）
阐明: 单位时间内逸出 电子数目正比于光强度。
图6.5(b)
第21页
(3) 当υ固定期, i随V增长而减小。 当V=V0（遏止电压）时, i=0。且V0与I无关。
o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 λ(μm) 第13页
M Bλ
试验值
紫 外 灾
难 瑞利--金斯
维恩
o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 λ(μm) 第14页
Planck公式:
E( ,T )d
8 h 3
c3
d
h
e KT
1
（6-7）
第15页
• 显然，当hυ>>kT时，Planck公式与Wien公式相一致， 而当hυ<<kT时，Planck公式又演变为Rayleigh-Jeans 公式。(练习)
但随υ增大。 而与试验偏差加大, 当 上面υ公→式∞都时是引从起经发典散物（理紫中外得劫到难！）。 第10页
M Bλ
试验值
o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 λ(μm) 第11页
M Bλ
试验值
维恩
o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 λ(μm) 第12页
M Bλ
试验值
紫 外 灾
难 瑞利--金斯
• Planck 量子假设
• 为了从理论上导出Planck公式，Planck假设电磁辐射 能量只能是量子化，即E=nhυ（n=1，2，3……）h即 为Planck常量，h=6.626×10-34J.S
• （与6-3）式相类似，可得:
•
•由 •
即可导出Wien位E移(,定T )律d。
8hc 5
d
hc
e kT
（图6.5c）
图6.5(c)
阐明: 光电子最大能量与光强无关。
第22页
(4)对某一确定材料, V0仅依赖于υ而与I无关, 且υ 存在一种阈值υ0 （称为红限）, 仅当υ>υ0时, 才有 光电流产生。对大多数金属而言, υ0处在紫外线区, 而V0量级在n个伏特, 这意味着光电子动能在eV量 级。
图6.5(d)
第2页
玻尔（N.Bohr）基于卢瑟福原子模型, 原子光 谱试验规律以及普朗克量子化概念, 于19提出 了新原子模型并成功地建立了氢原子理论, 解 释了氢光谱产生, 玻尔理论还可以精确地推出 巴尔末公式, 并能算出里德伯常数理论值。不 过当玻尔理论应用于复杂某些原子时, 就与试 验事实产生了较大出入。这阐明玻尔理论还很 粗略, 直到1925年量子力学建立后来, 人们才建 立了较为完善原子构造理论。
第27页
爱因斯坦光子假说 一束光是一粒一粒以光速 c 运动粒子
（称为光子）流，每一光子能量为:
ε= h 他认为金属中自由电子吸收一个
光子能量 h 以后，一部分用于电子从金属
表面逸出所需逸出功A ，一部分转化为光 电子动能，即：
h
=
1 2
mv 2+ A
——爱因斯坦 光电效应方程
第28页
爱因斯坦对光电效应解释: 1. 光强大，光子数多，释放光电子也 多，因此光电流也大。
第46页
光谱
小结
一、光谱 光谱仪
光谱种类
二、氢原子光谱
• 巴尔末线系
• 其他线系 里德伯公式
~
RH
(
1 22
1
n2
), n
3,4,
~
1
RH
1 m 2
1
n2
• 光谱项 • 并合原则
T(n) RH ,
n2
~ T(m) T(n)
1.5 第47页
Ha
H6β562. Hγ Hδ
氢原子可见光谱
第38页
• 1.巴尔末线系（可见光区）
~
RH
(
1 22
1
n2
), n
3,4,
RH
4 B
.
10973731m 1 , B 3646.1A
RH 10967758m 1
~
RH 22
, (当n 时)
（精密测量值） （线系限波数）
第39页
氢原子光谱特点:
第3页
§2.1 黑体辐射与光电效应 (Black body radiation and photoelectric
effect)
黑体概念 (Black body)
在十九世纪末期, 黑体辐射是物理学家们极感爱 好一种话题。
任何物体在任何温度都会向外发射多种波长电磁 波, 但电磁波能量按波长分布却随温度而变化, 此即“热辐射”。
Chap.2
原子量子态，玻尔模型 (The quantum states of atoms,the Bohr model )
第1页
卢瑟福模型把原子当作由带正电原子核和围绕核运动某些 电子构成, 这个模型成功地解释了α粒子散射试验中粒子大 角度散射现象, 可是当我们准备进入原子内部作深入考察 时, 却发现已经建立物理规律无法解释原子稳定性, 同一性 和再生性。
RH
1 m 2
1
n2
m=1, 2, 3, 4, 5
n=m + 1, m + 2 , m + 3
4.光谱项 5.并合原则
T(n) RH , n2
~ T(m) T(n)
第43页
19, 卢瑟福用 粒子散射试验证明了核存在, 不过电子在核外运动情形怎样, 却没有一种合 理模型, 假如设想电子绕核运动, 便无法解释原 子线光谱和原子坍缩问题, 经典理论在讨论原 子构造时碰到了难以逾越障碍。
紫
赖曼
~
RH
1 (12
1 n2
), n
2,3,
外 区
系19: 帕邢发现
帕
~
RH
(
1 32
1 n2
), n
4,5,
邢系:
红 外
1922年布喇开发现 布喇开系:
~
RH
(
1 42
1 n2
),n
5,6,
区
1924年普芳德发现 普芳德系:
~
RH
1 (52
1 n2
),n
6,7,
第42页
• 3.里德伯公式
~
1
• •
mT 0.2898cm • K
(6-1)
第9页
理论公式
R( ,T ) c E( ,T )
4
这是黑体辐射本领
与能量密度关系 E( ,T )d C1 e 3 C2 T d
Wien公式
(6-5)
在低能部分与试验有明显偏差。 E( ,T )d C8R3aKyTlei2gdh-Jeans公式
(6-6) 在低能段与试验吻合,
第25页
按照经典理论, 决定电子能量是光强, 而不是光频率。
试验事实却是, 光电子能量与光强无关, 却取决于光频率。
第26页
光电效应量子解释 (Quantum interpretation of photoelectric
effect)
• 19, Einstein发展了Planck量子假设应经典解释 （Classical interpretation of
photoelectric effect）
按照经典物理, 光是电磁波, 当光照在电子上时, 电子便获得 能量。当电子能量累积到一定程 度, 就能脱离原子束缚而逸出。
第24页
估算成果表明, 以光强为 1μW/m2 光照射到钠金属表面, 要使其中电子 获得1eV能量, 约需107s, 这与光电效应 中光电流对光照迅速响应（<10-9s）完全 不相符合。
2. 电子只要吸取一种光子就可以从金属 表面逸出，因此不必时间累积。
3.光电子初动能仅与入射光频率和逸出功 有关，且与频率成线性关系。
4.从光电效应方程中，当时动能为零时， 可得到红限频率:
0=
A h
第29页
Einstein光电子假设, 遭到了包括Planck 在内 不少物理学家反对, 直到19Millikan运用V0与ν 之间关系, 从试验测得Planck常数, 其成果与 Planck黑体辐射公式中相等（误差不不小于 5%）, 这才使光子假设得到人们普遍接受。
第30页
Einstein因此而获得了19Nobel物理学奖 Millikan则获得了1927年Nobel物理学奖。
图6.6 第31页
1 2
mv 2 =
eUa
U a = k Uo
... (1)
...(2)
遏止电压与入射光
Ua
频率试验曲线
o
νo ν
由式（1），（2）得:
1 2
mv 2=
k e eU0
物体在产生热辐射同步, 也会吸取和反射外来电 磁波。
假如一种物体能完全吸取外来电磁辐射而无反射 和透射, 则被称为绝对黑体, 简称黑体。
第4页
黑体模型见图6.1
第5页
量子假说试验根据之一 黑体辐射
（ Black body radiation）
第6页
黑体辐射辐射本领
• 单色辐射本领R（λ，T）:
第34页
连续光谱
Na H
线状光谱
Hg Cu
钠吸收光谱
太阳光谱
第35页
• 光谱是用光谱仪测量，光谱仪大体由三部分构成: 光源， 分光器（棱镜，或光栅），记录仪。（参看图6.7）
12
狭缝
棱镜
棱镜光谱仪示意图
红
蓝 1 屏 2
第36页
测量光谱示意图
第37页
6562.8A 4861.3A 4340.5A 4101.7A
• 即单位时间从黑体单位面积上所辐射出去波长 在λ附近单位波长范围内能量。
• 总辐射本领R（T）
• 即单位时间从黑体单位面积上所辐射出去电磁 波总能量。
• R（T）= R(,T )d R' ( ,T )d
• 由于
•
0
0
R'( ,T )d
0
0
c
2
R'( c
,T )d
R(,T )d
0
因而
R(,T )
c
2
R'
(
,
T
)
|
c
(6-3)
第7页
第8页
黑体辐射试验规律
(The experimental results of black body radiation)
• Kirchhoff证明, 热平衡时, 辐射能量密度E（υ, T） 随υ变化曲线与空穴形状及构成物质无关。
• Wien位移定律（图6.2）
1
dE(,T ) 0
dT
第16页
第17页
量子假说试验根据之二 光电效应
（photoelectric effect)
第18页
19, Lenard在Hertz和Hallwachs试验基础上, 证明了金属在紫外光照射下会发射电子,这就是光电
e CT4
第19页
深入研究发现，光电效应具有如下几种特 点: (1)光电流产生几乎与光照同步。 （图6.5a）
结论:
e k= h 第32页
• •
第33页
光谱 (Line spectra of atom) 光谱是光频率成分和强度分布关系图，
它是研究原子构造重要途径之一。
光谱分类: 不一样样光源有不一样样光 谱，发光机制也不尽相似。根据波长变 化状况，大体可分为三类: 1.线光谱: 波长不持续变化，此种为原子 光谱；
第44页
经典原子模型困难
（1）不能解释电子轨道运动稳定性。 电子作轨道运动具有加速度, 要向外发射电磁波
电子能量逐渐减少, 最终电子将落入原子核中。 （2）不能解释为何原子光谱是线状。 电子作轨道运动, 由于发射电磁波, 能量逐渐减少
轨道半径逐渐变小, 发射电磁波波长应逐渐变化, 原 子光谱应为持续谱。